劉曙光，王家勝，張梅，尹寶全，馬云飛，潘仕梅

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東煙臺，264670； 2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島，266109)

0 引言

目前國內(nèi)外胡蘿卜播種機多采用機械式條播或者氣吸式精播直接將種子埋入土中[1-2]，作業(yè)效率高，但直接播種入土無法直接監(jiān)測播種質(zhì)量，而且受田間因素影響較大，普遍應(yīng)用于規(guī)?；筇锓N植，目前研究成果較多[3-6]?；诜N繩模式的胡蘿卜播種技術(shù)實現(xiàn)分段播種[7-10]，前段在室內(nèi)編織種繩，即通過種繩編織機將胡蘿卜種子播到種子帶上，通過線纏繞形成種繩，并將種繩纏繞至種繩纏繞輥上，工作條件穩(wěn)定，而且可以直接監(jiān)測種繩內(nèi)種子的間距并可及時調(diào)整糾正；后段在田間利用基于種繩模式的專用播種機將種繩埋入土中，種繩對田間環(huán)境突變不敏感，保證了埋設(shè)深度精準(zhǔn)度，該技術(shù)可應(yīng)用于中小規(guī)模或要求精準(zhǔn)播種的地塊或者溫室內(nèi)，目前研究成果很少，王家勝等[11]研發(fā)種繩模式的小區(qū)育種播種機，并進(jìn)行了種子帶編織過程理論分析與性能試驗。

由于種子帶為可降解的纖維材料，承拉能力相對較弱，播種工作過程中產(chǎn)生的拉力過大與突變嚴(yán)重都將影響種繩埋設(shè)質(zhì)量，主體框架直接連接種繩裝設(shè)、鋪設(shè)、覆埋、鎮(zhèn)壓的所有執(zhí)行部件，容易受發(fā)動機振動影響，其工作狀態(tài)將直接影響播種機作業(yè)質(zhì)量與效率。本文結(jié)合胡蘿卜播種農(nóng)藝要求，種繩模式播種技術(shù)特點，基于Ansys Workbench 19.2進(jìn)行基于種繩模式胡蘿卜播種機主體框架的6處關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)研究，確定作業(yè)時，主體框架對種繩埋設(shè)過程的綜合影響，為更好地保護(hù)種繩，保證作業(yè)質(zhì)量與穩(wěn)定性，獲得主體框架的工作條件，進(jìn)一步優(yōu)化主體框架工作環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

該種繩模式胡蘿卜播種機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，主要包括動力、機架、行走結(jié)構(gòu)、種繩與滴灌帶的裝設(shè)與鋪設(shè)結(jié)構(gòu)、壟型整理結(jié)構(gòu)、覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)等。

圖1 整機結(jié)構(gòu)Fig. 1 Whole structure1.壟型整理結(jié)構(gòu) 2.單缸機 3.滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu) 4.種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu) 5.覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu) 6.種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu) 7.滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu) 8.機架 9.行走結(jié)構(gòu)

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters

為分析主體框架的設(shè)計合理性及對種繩埋設(shè)過程的影響，除機架結(jié)構(gòu)外，分析還包括與機架固連的各執(zhí)行部件，如覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輥支撐架、種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種繩滑刀、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的支撐桿與開溝器、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)的裝設(shè)支撐桿與支撐軸、壟型整理結(jié)構(gòu)的連接架，共同形成要分析的主體框架，如圖2所示。工作中，人隨播種機行進(jìn)，在行進(jìn)的過程中，壟型整理結(jié)構(gòu)平整壟面，提供好的種繩埋設(shè)條件；種繩從種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)上抽拉下來經(jīng)種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在導(dǎo)種繩滑刀劃出的溝內(nèi)，通過覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)將鋪設(shè)在溝內(nèi)的種繩覆土鎮(zhèn)壓埋入土中；滴灌帶從滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)上抽拉下來通過滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在開溝器開設(shè)的溝內(nèi)。

圖2 主體框架及加載位置、對應(yīng)分析響應(yīng)部位Fig. 2 Main frame structure, loading position and response parts1.與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置 2.二階往復(fù)慣性力作用平面 3.與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置及作用力加載位置 4.作用力加載位置 5.種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置 6.扶手位置 7.導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置 8.滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置 9.支撐點 10.傾覆荷載作用位置

2 模態(tài)分析

由于主體框架復(fù)雜，通過Solidworks建模，導(dǎo)入Ansys Workbench 19.2中，根據(jù)工作實際情況，通過Static Structural加載單缸機重力210 N，滴灌帶纏繞輥重力100 N，為Modal、Harmonic Response分析的前置預(yù)應(yīng)力影響條件，加載位置如圖3所示。

(a) 第1階模態(tài)振型

(b) 第2階模態(tài)振型

(c) 第3階模態(tài)振型

(d) 第4階模態(tài)振型

(e) 第5階模態(tài)振型e

(f) 第6階模態(tài)振型圖3 主體框架前6階模態(tài)振型Fig. 3 First 6 modes vibration shape of main frame

材料設(shè)定為Structural Steel，其密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，彈性模量200 GPa；以四面體劃分網(wǎng)格，共42 477個單元，84 808個節(jié)點；設(shè)定接觸類型為Bonded。

主體框架前6階模態(tài)響應(yīng)分析如圖3所示，前6階主體框架固有頻率及振型情況如表2所示。從模態(tài)分析可知，主體框架第1～6階固有頻率分別為14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，當(dāng)主體框架振動頻率接近其各階固有頻率時，將產(chǎn)生共振反應(yīng)，當(dāng)振動頻率靠近各階固有頻率時均對種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)有明顯影響，當(dāng)振動頻率靠近第1、4階固有頻率時對種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)有明顯影響。

表2 前6階固有頻率及振型情況Tab. 2 Natural frequencies and vibration modes of the first 6 modes

3 諧響應(yīng)分析

該模式播種機適合一壟兩行種植模式，配套單缸機可以滿足作業(yè)動力要求，本文分析單缸機對主體框架的諧響應(yīng)。二階往復(fù)慣性力引起的簡諧振動力的作用根據(jù)單缸機結(jié)構(gòu)特點分別施加于主體框架固定單缸機區(qū)域的垂直方向及整機前進(jìn)方向上，簡諧振動力表達(dá)式153.03sin(523.33t+π/2)。因單缸機對外輸出動力矩曲線不規(guī)則，根據(jù)單缸機轉(zhuǎn)速2 500 r/min時對其輸出力矩測試，得出傾覆力矩簡諧振動的力偶矩，近似以8次傅里葉級數(shù)擬合[12]，8組簡諧振動的力偶矩表達(dá)式分別為9.79sin(130.9t+0.23π)、17.22sin(261.8t+0.07π)、13.5sin(392.7t-0.02π)、3.66sin(523.6t-0.15π)、10.55sin(654.5t-0.07π)、5.11sin(785.4t-0.14π)、7.19sin(916.3t-0.1π)、5.28sin(1 047.2t-0.11π)。根據(jù)固定點距離，轉(zhuǎn)化成8組簡諧振動力作用，分別單獨施加于主體框架固定單缸機位置各兩個固定點處，前后荷載作用方向相反。

通過Harmonic Response分析每一簡諧振動作用對主體框架上6個可能影響工作性能的關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)在x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅變化情況。根據(jù)振型位移疊加法，確定各位置在各個簡諧振動作用過程中的綜合影響，如圖4～圖9所示。主體框架上6個部位的x軸、y軸、z軸3個方向諧響應(yīng)振幅受諧振頻率影響大致分為3個區(qū)間。

1) 諧振頻率小于21 Hz時，主體框架工作很穩(wěn)定，當(dāng)諧振頻率為15 Hz時，主體框架5個位置(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置)的諧響應(yīng)振幅最大，3個方向振幅分別為0.008 mm，0.013 mm，0.102 mm；0.018 mm，0.082 mm，0.062 mm；0.004 mm，0.031 mm，0.033 mm；0.006 mm，0.07 mm，0.045 mm；0.016 mm，0.17 mm，0.096 mm，當(dāng)諧振頻率為21 Hz時，主體框架與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個方向振幅分別為0.003 mm，0.107 mm，0.036 4 mm。

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖4 與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置諧響應(yīng)Fig. 4 Harmonic response of position contacting with installation structure of drop irrigation belt

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖5 種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置諧響應(yīng)Fig. 5 Harmonic response of support shaft of installation structure of seed tape

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖6 滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置諧響應(yīng)Fig. 6 Harmonic response of surface above the trench opener of laying structure of drop irrigation belt

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖7 導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置諧響應(yīng)Fig. 7 Harmonic response of exit position of seed tape

2) 諧振頻率在21～43 Hz時，因主體框架的第2階至第5階固有頻率均在該范圍內(nèi)，對主體框架6個關(guān)鍵部位的3個方向均有不同程度的振幅，但振幅不大，工作較穩(wěn)定，當(dāng)諧振頻率為23 Hz時，主體框架與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個方向振幅分別為0.708 mm，0.068 mm，0.249 mm；0.128 mm，0.045 mm，0.514 mm，當(dāng)諧振頻率為35 Hz時，導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個方向振幅分別為0.149 mm，0.111 mm，0.653 mm；0.195 mm，0.479 mm，0.237 mm；0.014 mm，0.441 mm，0.15 mm，當(dāng)諧振頻率為37 Hz時，滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個方向振幅分別為0.922 mm，0.108 mm，0.104 mm。

3) 諧振頻率在43～50 Hz時，當(dāng)諧振頻率為46 Hz時，6個位置的諧響應(yīng)振幅均最大，共振效果很明顯，3個方向振幅分別為1.694 mm，0.071 mm，2.431 mm；1.315 mm，0.621 mm，1.881 mm；0.453 mm，0.211 mm，1.019 mm；0.594 mm，0.415 mm，1.861 mm；1.56 mm，0.165 mm，0.325 mm；0.015 mm，2.345 mm，0.853 mm。

根據(jù)發(fā)動機工作頻率

(1)

式中：f——發(fā)動機工作頻率，Hz；

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；

N——發(fā)動機氣缸數(shù)，個；

τ——發(fā)動機沖程數(shù)，個。

單缸機2 500 r/min轉(zhuǎn)速時，工作頻率為20.83 Hz，主體框架該頻率下處于非共振穩(wěn)定工作區(qū)間，6個可能影響工作性能的關(guān)鍵部位的x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅分別為0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，對種繩埋設(shè)過程無影響，工作狀態(tài)穩(wěn)定，種繩抽拉不會出現(xiàn)因主體框架振幅過大引起突然的拉伸幅度忽大忽小導(dǎo)致種繩斷裂或松動現(xiàn)象，同時為其他執(zhí)行部件提供穩(wěn)定的固定連接工作平臺。

(a) x軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖8 扶手位置諧響應(yīng)Fig. 8 Harmonic response of handrail

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖9 與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置諧響應(yīng)Fig. 9 Harmonic response of position contacting with pin roll of structure of tidying up the ridge

4 結(jié)論

基于Ansys Workbench 19.2進(jìn)行基于種繩模式胡蘿卜播種機主體框架的6處關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)的工作狀態(tài)研究。通過模態(tài)分析，得出主體框架第1～6階固有頻率分別為14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，當(dāng)主體框架諧振頻率接近其固有頻率時，將產(chǎn)生共振反應(yīng)，當(dāng)主體框架諧振頻率靠近6階固有頻率均對種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)有影響，當(dāng)諧振頻率靠近第1、4階固有頻率對種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)有影響。

在此基礎(chǔ)上，通過諧響應(yīng)分析得出不同諧振頻率對主體框架6處可能影響工作性能的關(guān)鍵部位的諧響應(yīng)振幅變化，仿真結(jié)果表明，當(dāng)諧振頻率小于21 Hz時，主體框架處于最穩(wěn)定工作狀態(tài)；當(dāng)諧振頻率在21～43 Hz時，諧振頻率在靠近固有頻率時主體框架局部有共振反應(yīng)，但振幅不大，影響較小；當(dāng)諧振頻率在43～50 Hz時，尤其工作頻率在46 Hz附近，振幅較大，共振效果很明顯，不利于播種機作業(yè)。單缸機工作轉(zhuǎn)速2 500 r/min時主體框架的6處可能影響工作性能的關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)的x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅分別為0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，對種繩埋設(shè)過程無影響，工作狀態(tài)穩(wěn)定，滿足胡蘿卜播種要求。